[PDF] Analyses métabolomiques du vin: chemical messages in a bottle

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THESE DE DOCTORAT en Co-tutelle

Discipline : Sciences des Aliments

Présentée par

Chloé ROULLIER-GALL

Pour obtenir le grade de Docteur de l´Université de Bourgogne Soutenue publiquement le 16 décembre 2014 devant la commission d´examen suivante : Pr. Philippe JEANDET Université de Reims Rapporteur

Pr. Michael RYCHLIK

Pr. Michael GONSIOR Université Technique de Munich Université du Maryland Rapporteur Rapporteur

Pr. Marielle ADRIAN Institut de la vigne et du vin Examinateur Franck BROSSAUD Bureau Interprofessionel de la vigne et du vin Membre invité Pr. Régis GOUGEON Université de Bourgogne Directeur de thèse Pr. Philippe SCHMITT-KOPPLIN Université Technique de Munich Co-directeur de thèse

Unité de recherche PAPC-UMR PAM

AgroSup Dijon

Université de Bourgogne

Unité de recherche de BioGéochimie et Analytique

Helmholtz Zentrum München

Université Technique de Munich

Remerciements

Ce travail n'aurait pas pu exister sans Régis Gougeon, directeur de cette thèse, et Philippe Schmitt-

Kopplin, co-directeur. Je tiens à les remercier pour m'avoir accordé leur confiance, leur soutien ainsi que

pour leur engagement dans mon travail de recherche. Votre aptitude à voir le meilleur dans toutes les

situations est un vrai plus dans la vie du labo.

Les travaux de recherches de cette thèse ont pu exister grâce au soutien financier de la Région

Bourgogne, du Bureau interprofessionnel des vins de Bourgogne, du comité interprofessionnel des vins de

champagnes et de la Chaire UNESCO culture et tradition du vin. Ils ont été réalisés au sein du laboratoire

PAPC dans l'enceinte de l'institut Universitaire de la Vigne et du Vin (IUVV) à Dijon ainsi que dans le

centre Helmotz à Munich, au sein de l'équipe de Biogéochimie analytique.

Je tiens également à remercier les professeurs Marielle Adrian, Philippe Jeandet, Michael Rychlik et

Michael Gonsior qui me font l'honneur d'examiner mon travail de thèse ainsi qu'aux professeurs Hervé

Alexandre et Zelimir Gobelica pour leur participation à mes comités de pilotages.

D'autre part, j'adresse un grand merci à l'ensemble des domaines, maisons et vignerons qui nous ont

offert de précieux échantillons, et sans qui cette aventure n'aurait jamais été possible : Domaine de la

Romanée Conti, et notamment Aubert et Bertrand de Villaine; Domaine Vincent Dauvissat ; Domaine Louis

Jadot, Domaine des comte Lafon ; Domaine Bouchard père et fils et notamment Géraud-Pierre Aussendou et

enfin le domaine de la Velle qui en nous accordant la première série verticale a permis d'initier ce travail.

Merci pour les inoubliables discussions, dégustations, visites et tout simplement pour votre confiance.

Il me faut également remercier Marielle Adrian, qui a su être à l'écoute, disponible et plein de bons

conseils pendants ces trois années, et parce que la pluridisciplinarité est essentielle !

Je voudrais adresser mes remerciements à l'ensemble de mon équipe de recherche au sein de

l'Institut Jules Guyot et du centre Helmoltz qui ont su faire de ces lieux une deuxième maison. J'adresse plus

particulièrement mes remerciements à Alexandra Da Silva pour sa disponibilité et sa joie de vivre

permanente !

Un grand merci à l'ensemble des doctorants, post doc et stagiaire avec qui j'ai partagé les joies (ou

pas) de la recherche et qui sont devenus pour moi des amis : Aurélie, Charlie, Maryse, Lemia, Magalie,

Mohand, Maud, Alex, Cedric & Cedric, Bao et Youzhong, ainsi que mes collègues de Munich, Tanja,Yan,

Sabine, Kirill, Jenny, Alesia, Michael, Juliano, Dimitrios, Katharina, Sara, Mourad, Moritz, Basem,

Wendolin, Marianna, Franco, Theresa et Alexander.

Je remercie tout particulièrement Lemia qui avec patience m'a transmis son expertise dans les

domaines de la chimie analytique, de la métabolomique et du traitement de données, qui m'a accompagné

lors de mon premier séjour à Munich et qui m'a été d'une grande aide pour ce travail.

Un merci particulier à Magalie, Maud, Alex, Mohand, Cédric & Cédric pour nos sorties

décompression du vendredi soir, merci aussi pour vos talents de testeurs de cuisine expérimentale, même si

" je n'ai jamais gouté un truc comme ça » n'est pas vraiment un compliment... Une pensée particulière pour

Aurélie toujours de bonne humeur et disponible, pour notre passion commune pour les bonbons, les befoods,

les films de filles, (+/-) la piscine, et tout simplement pour ton amitié. Une note pour Charlie qui a su me

faire découvrir l'univers incroyable du thésard, mille merci pour ton amitié et ton soutien. J

Un merci particulier à Maud et Alex pour les pauses déjeuners irremplaçables, même si Alex ne

veux jamais partager son dessert. Une attention particulière pour Maud en vrac pour les cours de tricot (j'ai

encore du travail question détente), nos sorties piscines, nos réunions Tupperware, et notre voyage en

Afrique du Sud, parce qu'à deux c'est quand même plus fun.... on a survécu à l'attaque des " water

buffalo », la jungle de Joanesburg, la conduite à gauche avec attaque de camion et à mes tentatives de

communications avec les manchots !

Un merci spécial à Michael et Jenny pour le soutien scientifique, leur patience en toute occasion et

les sorties climbing and boldering quotidiennes. Merci pour votre permanente bonne humeur, et pour toutes

vos petites attentions. Je ne peux oublier mes collègues de bureau de Munich : Yan, Sabine, Tanja et Kirill,

merci pour tous ces moments partagés, des pauses déjeuners aux soirées pizza, en passant par les sorties

Asian Shop ou les dégustations de vins, de bières ou de thé....

Je tiens également à dire un grand merci à toutes ces personnes qui ont su rendre ma vie plus facile

au cours de ces trois années, à commencer par Andrène qui en plus de son amitié, de ses bons plans mode, de

nos passion communes pour les lapins et les animaux en général, les bouquins, la cuisine, le thé j'en passe et

des meilleurs, a pris le temps de venir me voir à Munich à chacun de mes séjours ! Puis vient le tour de

Dimitrios, François, Charles et Marilou, ma bande Munichoise ! Merci pour ces soirées / weekend /

randonnées / diners / découvertes / bbq / baignades et tout simplement pour avoir fait de mes séjours à

Munich des moments inoubliables ! Grosse pensée pour le Comte, super nounou pour Pepette et les Jean....

ne t'inquiètes pas plus qu'un an ! ou deux... enfin tu verras ! ;D

Enfin, et c'est le plus important, un grand merci à ma famille sans qui je n'aurai pu arriver jusque-là

et tout particulièrement à Tom pour son soutien permanent, sa patience et pour tout le reste. ♥

1

Sommaire

SOMMAIRE ...................................................................................................................................................... 1

RÉSUMÉ ........................................................................................................................................................... 5

ABSTRACT ........................................................................................................................................................ 6

LISTE DES TRAVAUX ......................................................................................................................................... 7

1 ARTICLES PUBLIÉS ..................................................................................................................................... 7

2 ARTICLES ACCEPTÉS .................................................................................................................................. 7

3 ARTICLES EN PRÉPARATION ......................................................................................................................... 7

4 PRÉSENTATIONS ORALES ET POSTERS ............................................................................................................ 8

LISTE DES ABRÉVIATIONS ................................................................................................................................. 9

LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................................................... 10

LISTE DES FIGURES ......................................................................................................................................... 11

LISTE DES ANNEXES........................................................................................................................................ 15

INTRODUCTION GÉNÉRALE ............................................................................................................................ 20

ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE ............................................................................................................................. 26

1 DE LA BAIE DE RAISIN AU VIN .................................................................................................................... 26

2 L'ANALYSE DU VIN .................................................................................................................................. 28

2.1 Approche ciblée ........................................................................................................................ 29

2.1.1 Chromatographie gazeuse ........................................................................................................ 29

2.1.2 Chromatographie liquide .......................................................................................................... 31

2.2 Approche non ciblée.................................................................................................................. 32

2.2.1 Métabolomique ........................................................................................................................ 33

2.2.2 La spectrométrie de masse ........................................................................................................ 34

2.2.3 Spectroscopie de Fluorescence .................................................................................................. 38

2.2.4 La résonance magnétique nucléaire .......................................................................................... 39

3 LE VIEILLISSEMENT EN BOUTEILLE ............................................................................................................... 40

3.1 Conditions de conservation ....................................................................................................... 41

3.2 Les phénomènes d'hydrolyse et d'estérification ........................................................................ 44

3.3 Les phénomènes d'oxydation .................................................................................................... 46

3.3.1 Réaction d'oxydation des vins blancs ........................................................................................ 47

3.3.2 Protection des vins contre l'oxydation et chimie du soufre ........................................................ 48

3.4 Micro-oxygénation et vieillissement artificiel ........................................................................... 51

3.5 Étude de séries verticales de vins en bouteille ........................................................................... 52

4 INFLUENCES DES FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX .......................................................................................... 54

5 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 58

MATÉRIELS ET MÉTHODES ............................................................................................................................. 60

1 SOLVANTS ET RÉACTIFS ............................................................................................................................ 60

2 MATÉRIELS BIOLOGIQUES ......................................................................................................................... 60

2.1 Influences des pratiques oenologiques ...................................................................................... 60

2.2 Les vins pour l'analyse " oxygénation contrôlée » .................................................................... 61

2.3 Les vins pour l'analyse terroir.................................................................................................... 62

2 2.3.1 Domaine de la Romanée Conti .................................................................................................. 62

2.3.2 Domaine Louis Jadot ................................................................................................................. 63

2.4 Les séries verticales de vins blancs et rouges............................................................................. 63

2.4.1 Domaine de la Velle .................................................................................................................. 65

2.4.2 Domaine Bouchard père & fils .................................................................................................. 65

2.4.3 Domaine Comtes Lafon ............................................................................................................. 65

2.4.4 Domaine Dauvissat ................................................................................................................... 66

2.4.5 Domaine de la Romanée Conti .................................................................................................. 66

2.5 Les millésimes anciens .............................................................................................................. 67

3 MÉTHODES ANALYTIQUES ........................................................................................................................ 67

3.1 Préparation des échantillons ..................................................................................................... 67

3.1.1 Les vins ..................................................................................................................................... 67

3.1.2 Les baies de raisin ..................................................................................................................... 68

3.2 Analyses UPLC ........................................................................................................................... 69

3.3 Métabolomique ........................................................................................................................ 70

3.3.1 FTICR-MS .................................................................................................................................. 71

3.3.2 UPLC-Q-TOF -MS ....................................................................................................................... 73

3.3.3 La spectroscopie de fluorescence .............................................................................................. 74

3.4 Traitements des données .......................................................................................................... 76

3.4.1 Netcalc ...................................................................................................................................... 76

3.4.2 Diagramme de van Krevelen .................................................................................................... 77

3.4.3 Statistiques ............................................................................................................................... 78

3.4.4 Bases de données ...................................................................................................................... 82

RÉSULTATS ET DISCUSSION ............................................................................................................................ 86

CHAPITRE 1 : DÉVELOPPEMENTS MÉTHODOLOGIQUES ................................................................................. 87

1 DÉVELOPPEMENT ET APPLICATION DE DEUX APPROCHES COMBINÉES POUR L'ANALYSE NON CIBLÉE DU VIN. ................. 87

2 ULTRA HAUTE PRÉCISION DE MESURE DE MASSE POUR L'ANALYSE MÉTABOLOMIQUE DU VIN .................................. 111

3 CONCLUSION GÉNÉRALE DU CHAPITRE 1 .................................................................................................... 131

CHAPITRE 2 : ÉTUDE DE SÉRIES VERTICALES DE VINS ET VIEILLISSEMENT EN BOUTEILLE .............................. 132

1 MARQUEURS DE VIEILLISSEMENT ............................................................................................................. 132

2 SAINT VIVANT ..................................................................................................................................... 148

3 CONCLUSION GÉNÉRALE DU CHAPITRE 2 .................................................................................................... 163

CHAPITRE 3 : PRATIQUES OENOLOGIQUES ET DIVERSITÉ CHIMIQUE ............................................................ 165

1 INFLUENCE DE PRATIQUES OENOLOGIQUES : OXYGÉNATION CONTRÔLÉE LORS DE LA PRISE DE MOUSSE EN VINIFICATION

CHAMPENOISE. ............................................................................................................................................ 166

2 INFLUENCE DES PRATIQUES OENOLOGIQUES : SULFITAGE AU PRESSURAGE, DÉBOURBAGE, UTILISATION DE BENTONITE EN

FERMENTATION ET BOUCHAGE, EN VINIFICATION BOURGUIGNONNE. ........................................................................ 191

2.1 Impact du millésime ................................................................................................................ 191

2.2 Impact du bouchage ............................................................................................................... 192

2.3 Impact du débourbage ............................................................................................................ 196

2.4 Impact du sulfitage ................................................................................................................. 196

2.5 Conclusion ............................................................................................................................... 200

3 COMPARAISON ENTRE DES VINS PERÇUS OXYDÉS ET NON OXYDÉS LORS DE DÉGUSTATIONS PAR ANALYSES NON CIBLÉES 202

4 CONCLUSION GÉNÉRALE DU CHAPITRE 3 .................................................................................................... 207

CHAPITRE 4: APPLICATION À L'ÉTUDE DU TERROIR...................................................................................... 208

3 1 COMPARAISON DE LA DIVERSITÉ CHIMIQUE DE RAISINS ET DE VINS ISSUS DE DIFFÉRENTES APPELLATIONS

BOURGUIGNONNES : EFFET DE TERROIR VS MILLÉSIME. .......................................................................................... 208

2 DESCRIPTION DE LA SIGNATURE CHIMIQUE DE DEUX " CLIMATS DE BOURGOGNE » .............................................. 227

3 CONCLUSION GÉNÉRALE DU CHAPITRE 4 .................................................................................................... 254

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES .................................................................................................................. 255

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................ 261

4 5

Résumé

L'objectif premier de ce travail de thèse était de développer des analyses métabolomiques non

ciblées de vins en bouteilles afin de déchiffrer les informations chimiques relatives à l'évolution de

leurs compositions avec le temps. Cette recherche initiale était fondée sur l'hypothèse que, lors de

l'analyse, les vins en bouteilles gardent une mémoire chimique des paramètres environnementaux à

l'oeuvre au moment de leur élaboration (gestion du vignoble, pratiques oenologiques, climat, terroir).

Une seconde hypothèse reposait sur la nécessité d'étudier le passé pour anticiper l'évolution de la

qualité du vin du point de vue de sa composition chimique. À cet effet et pour la première fois dans la science du vin, la Spectrométrie de Masse à Résonance Cyclotronique des Ions et à Transformée de Fourier (FTICR-MS), la Chromatographie

Liquide couplée à la Spectrométrie de Masse (UPLC-Q-TOF-MS), la spectroscopie de Fluorescence

d'Excitation et d'Émission (EEMF) et les statistiques multivariées ont été combinées. Le

développement méthodologique a révélé l'avantage de coupler les mesures de masses exactes par

FTICR-MS à la discrimination des isomères par UPLC-Q-TOF-MS afin d'étendre la gamme des

métabolites détectables. Ces outils ont été appliqués à l'identification de marqueurs de vieillissement

sur des séries verticales de vins rouges et blancs de Bourgogne, y compris sur des vins très anciens

(millésimes inconnus) considérés comme des points extrêmes d'évolution, introduisant ainsi la notion

de verticalomics. La caractérisation d'une série de vins blancs de Bourgogne (Chardonnay) a révélé

que les espaces chimiques spécifiquement liés à des pratiques oenologiques (SO2 ajouté lors du

pressurage, niveau de débourbage ou perméabilité du bouchon) pourraient être déchiffrés, bien que les

signatures de millésimes étaient les plus significatives. Des expériences similaires sur les vins de

Champagne (Chardonnay, et mélanges de Chardonnay, Pinot noir et Pinot Meunier) après la prise de

mousse et le vieillissement sur lattes ont mis en évidence l'effet d'hormesis associé à l'oxygénation du

vin. Enfin, les analyses non ciblées d'extraits de raisin et des vins correspondants provenant de

différentes appellations et élaborés par le même vigneron ont révélé qu'il était possible de lire des

signatures liées au terroir, en particulier après quelques années de vieillissement en bouteille. Plus

largement, nos résultats fournissent une description globale sans précédent de la composition

chimique du vin et de sa modification par le vieillissement.

Mots clés: Chardonnay, Pinot noir, Pinot meunier, vin, vieillissement, oxydation, métabolomique,

FTICR-MS et UPLC-Q-ToF-MS, EEMF.

6

Abstract

The main objective of this work was to develop non-targeted metabolomics analyses of bottled wines in order to decipher chemical informations from the time-related evolution of their composition. This original research was based on the hypothesis that, when analyzed, bottled wines would still hold chemical memories of envionmental parameters (vineyard management, oenological

practices, climate, terroir...) at the moment of their elaboration, even after several years of ageing. A

second hypothesis was that in order to anticipate the future evolution of the wine quality in terms of

chemical composition, it is necessary to know what it was in the past. To that purpose, and for the first time in wine science, Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance - Mass Spectrometry (FTICR-MS), Liquid Chromatography coupled with massquotesdbs_dbs24.pdfusesText_30

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